變壓吸附裝置原料氣工藝路線優(yōu)化改造小結(jié)

申 曌，許志紅，李俊杰，薛科科

（新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南獲嘉 453800）

0 引 言

新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司（簡稱中新化工）200kt／a煤制乙二醇項(xiàng)目屬河南能源化工集團(tuán)化工產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目。所配套的變壓吸附（PSA）裝置為乙二醇裝置提供原料氣——CO和H2（CO純度≥98.5%、H2純度≥99.9%），由北大先鋒科技有限公司（簡稱北大先鋒）設(shè)計(jì)。PSA裝置前期運(yùn)行期間存在CO產(chǎn)品氣純度不能滿足乙二醇生產(chǎn)所需且CO產(chǎn)品氣中甲烷含量高的問題，由于甲烷會與乙二醇合成氣中的亞硝酸甲酯氣體形成同分異構(gòu)體——硝基甲烷，不僅使乙二醇羰化合成系統(tǒng)放空量大，而且給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來很大的安全隱患，后經(jīng)北大先鋒二次改造，將CO吸附劑由5A分子篩更換為銅基吸附劑后，解決了CO產(chǎn)品氣純度低及甲烷含量高的問題，但又帶來了CO產(chǎn)品氣收率低、解吸氣氣量大等新問題。為解決這些問題，改善系統(tǒng)運(yùn)行狀況，中新化工對PSA裝置陸續(xù)實(shí)施了部分優(yōu)化改造，取得了較為明顯的效果，以下對有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 PSA裝置工藝流程簡介

2臺投煤量750t／d的航天爐生產(chǎn)的粗煤氣，經(jīng)變換系統(tǒng)進(jìn)行CO部分變換后入低溫甲醇洗系統(tǒng)脫碳（CO2＜50×10-6），之后進(jìn)入PSA裝置預(yù)處理系統(tǒng)。在PSA預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)，原料氣經(jīng)氣液分離器分離液滴后，由頂部進(jìn)入吸附塔，脫除原料氣中微量甲醇、水分和CO2后從吸附塔底部排出，再經(jīng)原料氣加熱器加熱至70℃左右后送PSA-CO系統(tǒng)。變溫預(yù)處理系統(tǒng)采用兩塔流程，沖洗氣來自PSA-H2系統(tǒng)的逆放氣和PSACO系統(tǒng)的置換尾氣，沖洗后的氣體經(jīng)預(yù)處理解吸氣冷卻器冷卻后進(jìn)入解吸氣緩沖罐，經(jīng)解吸氣壓縮機(jī)升壓后送往中新化工甲醇合成系統(tǒng)。

PSA-CO系統(tǒng)的任務(wù)主要是將預(yù)處理系統(tǒng)來的凈化氣中CO濃縮至純度達(dá)99.3%以上。PSACO系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4臺吸附塔同時(shí)吸附、8次均壓、抽真空流程。氣體從吸附塔（T-2001A～T）底部進(jìn)入，從吸附塔頂部流出，CO被吸附劑選擇性吸附，經(jīng)降壓置換后進(jìn)行逆放，逆放前期逆放氣進(jìn)入逆放氣緩沖罐，逆放后期經(jīng)真空泵抽真空后的CO氣送入CO產(chǎn)品氣緩沖罐，同時(shí)吸附劑得到徹底再生；PSA-CO順放氣經(jīng)順放氣緩沖罐送至PSA-H2系統(tǒng)抽真空緩沖罐，而后送往解吸氣緩沖罐，經(jīng)解吸氣壓縮機(jī)升壓后送往中新化工甲醇合成系統(tǒng)；PSA-CO吸附尾氣進(jìn)入吸附尾氣緩沖罐，之后送往PSA-H2系統(tǒng)。

PSA-H2系統(tǒng)的任務(wù)是脫除PSA-CO吸附尾氣中的N2、Ar、CH4、CO2等雜質(zhì)氣體，得到純度99.99%的H2產(chǎn)品氣。在PSA-H2系統(tǒng)，氣體由吸附塔（T-3001A～P）底部進(jìn)入，從吸附塔頂部流出，氣體中的N2、Ar、CH4、CO2等雜質(zhì)被吸附劑吸附，合格的H2產(chǎn)品氣進(jìn)入H2產(chǎn)品氣緩沖罐。

2 PSA裝置二次技改概況

中新化工PSA裝置2011年3月開始施工建設(shè)，2012年3月首次試車并一次開車成功。PSA裝置初始設(shè)計(jì)處理氣量79200m3／h，CO產(chǎn)品氣產(chǎn)量22000m3／h，H2產(chǎn)品氣產(chǎn)量42000m3／h，CO產(chǎn)品氣純度≥98.5% （摩爾分?jǐn)?shù)，下同）。

由于在試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)CO產(chǎn)品氣中甲烷含量高和吸附劑泄漏的問題，影響系統(tǒng)自身及下游系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，PSA裝置先后兩次進(jìn)行技改。鑒于PSA裝置現(xiàn)場位置方面的限制，第二次技改設(shè)計(jì)處理氣量為63500m3／h，CO產(chǎn)品氣產(chǎn)量17600m3／h，H2產(chǎn)品氣產(chǎn)量35200 m3／h，CO產(chǎn)品氣純度≥99.3%，僅能滿足下游乙二醇裝置80%負(fù)荷用氣需求。

2018年3月PSA裝置技改完成后投運(yùn)，通過不斷地優(yōu)化調(diào)整，二次技改達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但受PSA裝置產(chǎn)能規(guī)模限制，吸附劑設(shè)計(jì)裝填量少，為了獲得更多的CO產(chǎn)品氣，只有增加原料氣進(jìn)氣量、縮短運(yùn)行周期，相應(yīng)地解吸氣量較設(shè)計(jì)值有較大幅度的增加。

2.1 PSA裝置二次技改前后工藝參數(shù)

PSA裝置原始設(shè)計(jì)參數(shù)與第二次技改設(shè)計(jì)參數(shù)的對比見表1，第二次技改后（2019年3月）生產(chǎn)負(fù)荷為90%時(shí)工藝氣成分見表2。

表1 PSA裝置原始設(shè)計(jì)參數(shù)與第二次技改設(shè)計(jì)參數(shù)的對比

表2 PSA裝置第二次技改后工藝氣成分%

2.2 第二次技改后存在的問題

2.2.1 解吸氣量大

第二次技改設(shè)計(jì)解吸氣氣量10700m3／h，但從2019年3月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表2）看，因CO產(chǎn)品氣收率低，無法滿足下游乙二醇裝置所需，故將系統(tǒng)進(jìn)氣量由設(shè)計(jì)值63500m3／h提高至69500m3／h，可得到18000m3／h的CO產(chǎn)品氣量，解吸氣量升至16500m3／h，加上乙二醇裝置返回的解吸氣3000m3／h，總解吸氣量達(dá)19500m3／h，解吸氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值；原3臺往復(fù)式解吸氣壓縮機(jī)兩開一備，現(xiàn)實(shí)際需要3臺解吸氣壓縮機(jī)（單臺解吸氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)打氣量為6600m3／h）同時(shí)運(yùn)行才能滿足需要，解吸氣壓縮機(jī)全開無備，任何一臺解吸氣壓縮機(jī)因故障需停機(jī)檢修時(shí)，不僅會使大量解吸氣 （約6600m3／h）無法回收而放空到火炬管網(wǎng)，造成極大浪費(fèi)，而且解吸氣放空后間接導(dǎo)致甲醇合成系統(tǒng)氫碳比失調(diào)，影響甲醇合成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、甲醇產(chǎn)量及甲醇合成催化劑的使用壽命。

2.2.2 CO收率低

CO產(chǎn)品氣收率設(shè)計(jì)值為90%，實(shí)際運(yùn)行中只能達(dá)到78%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)收率，為滿足外送CO產(chǎn)品氣量要求，只得采取提高進(jìn)氣中CO含量和增加進(jìn)氣量兩種方式，由此增加了PSA裝置能耗，縮短了吸附劑的使用周期。

3 PSA裝置原料氣工藝路線優(yōu)化改造

3.1 優(yōu)化改造目標(biāo)

針對PSA裝置存在的上述問題進(jìn)行研究，擬對其原料氣工藝路線進(jìn)行如下優(yōu)化改造：將PSA-CO系統(tǒng)部分順放氣送入PSA裝置原料氣入口，提高系統(tǒng)入口氣中的CO含量，即在不增加原料氣進(jìn)氣量的情況下，選擇合適的物料路徑，使CO產(chǎn)品氣收率提高至86%以上。如此一來，不僅可減少解吸氣量，在2臺解吸氣壓縮機(jī)運(yùn)行的條件下實(shí)現(xiàn)零放空，降低系統(tǒng)能耗，而且可改善甲醇合成系統(tǒng)氫碳比，延長甲醇合成催化劑使用壽命，保障甲醇合成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 工藝氣成分研究

各工藝氣成分分析數(shù)據(jù)（均值）見表3?？梢钥闯觯篜SA-CO系統(tǒng)順放氣中CO含量高達(dá)49.81% （均值），且其氮?dú)夂图淄楹慷急容^低，其組分與PSA裝置原料氣相近、潔凈度高，該部分氣體具備返回PSA裝置入口調(diào)節(jié)原料氣中CO 含量的條件；而解吸氣中H2含量在68.88% （均值），會導(dǎo)致CO收率低，不適宜作為回流氣（與原料氣混合）。

表3 各工藝氣成分分析數(shù)據(jù)（均值）

3.3 物料衡算

PSA裝置原料氣工藝路線優(yōu)化改造物料平衡表如表4。物料衡算顯示，優(yōu)化改造后，系統(tǒng)入口混合原料中的CO含量為32.31%，解吸氣量可降至9975.20m3／h。

表4 PSA裝置原料氣工藝路線優(yōu)化改造物料平衡表

3.4 優(yōu)化改造措施

利用1臺解吸氣壓縮機(jī)將部分順放氣加壓后返回PSA裝置入口，由此可減少順放氣排入解吸氣緩沖罐的量、提高PSA裝置入口原料氣中的CO含量。本項(xiàng)目于2018年12月完成，具體優(yōu)化改造內(nèi)容如下。

（1）增設(shè)PSA-CO系統(tǒng)順放氣緩沖罐去解吸氣緩沖罐管線，使順放氣進(jìn)入解吸氣緩沖罐，并增設(shè)相應(yīng)的控制閥和自動(dòng)調(diào)節(jié)回路，控制進(jìn)解吸氣緩沖罐的解吸氣量，保證故障狀態(tài)下原工藝流程不受影響；解吸氣緩沖罐與原系統(tǒng)連接處增設(shè)盲板隔離。

（2）解吸氣緩沖罐出口引管線至解吸氣壓縮機(jī)A入口，增設(shè)相應(yīng)的控制閥；解吸氣壓縮機(jī)A出口管線增設(shè)副線，將回收后的順放氣引至原料氣分離器入口處，原解吸氣壓縮機(jī)A出口流程保留，負(fù)荷低時(shí)順放氣可走原流程。

3.5 優(yōu)化改造效果

2019年10月12—17日，原料氣氣量69500 m3／h（均值，下同），CO產(chǎn)品氣量18300m3／h，H2產(chǎn)品氣量36600m3／h，解吸氣量14600m3／h；回收乙二醇裝置解吸氣量3000m3／h，回收PSA-CO系統(tǒng)順放氣量6500m3／h；返回甲醇合成系統(tǒng)解吸氣量11100m3／h；CO產(chǎn)品氣收率達(dá)86%，達(dá)到了優(yōu)化改造的預(yù)期目的。PSA裝置優(yōu)化改造前后各工藝氣主要成分見表5。

表5 PSA裝置優(yōu)化改造前后各工藝氣主要成分%

4 結(jié)束語

PSA裝置CO產(chǎn)品氣的純度及氣量，是由吸附劑的性質(zhì)和吸附劑裝填量及原料氣量決定的。PSA裝置二次技改更換為銅基吸附劑后，CO產(chǎn)品氣收率降低而導(dǎo)致解吸氣量增加，中新化工通過對PSA裝置工藝流程和生產(chǎn)過程的研究，將PSA-CO系統(tǒng)部分順放氣并入原料氣中，提高了原料氣中的CO含量，實(shí)現(xiàn)了CO產(chǎn)品氣收率的提升，滿足了下游乙二醇裝置高負(fù)荷生產(chǎn)所需，解決了PSA裝置解吸氣量大而不得不放空的問題；將順放氣中CO提純作為產(chǎn)品氣、H2作為尾氣回收至解吸氣系統(tǒng)，提高了解吸氣中的H2含量，利于甲醇合成系統(tǒng)氫碳比的優(yōu)化調(diào)整?？傊?，本次優(yōu)化改造，提高了PSA裝置CO產(chǎn)品氣收率，避免了解吸氣的放空，優(yōu)化了甲醇合成系統(tǒng)的氫碳比，助力了整套生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。